JP2010251673A - Condensing element, condensing element group, and solid-state imaging device - Google Patents

Condensing element, condensing element group, and solid-state imaging device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a light condensing element which can be stably manufactured, even in a normal semiconductor device manufacturing step, and to prevent yield reduction and characteristic variations due to the shape variations in the light-condensing element. <P>SOLUTION: The light-condensing element has one or more first annular band regions 102. having a first refractive index and one or more second annular band regions 103 having a second refractive index different from the first refractive index; the first and second annular band regions 102 and 103 are arranged concentrically to be alternately adjacent to each other; and at least either of the first and second annular band regions 102 and 103 has a gap 104, at a section where the width of the annular band region becomes gradually narrow. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は集光素子に関し、特に、異なる屈折率を有する第1の輪帯と第2の輪帯とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子、集光素子群およびそれを有する固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a condensing element, and in particular, a condensing element in which first and second annular zones having different refractive indexes are arranged concentrically and adjacently, a condensing element group, and The present invention relates to a solid-state imaging device.

デジタルビデオレコーダ、デジタルスチルカメラや、最近急速に増加してきたカメラ付き携帯電話などの映像を電磁気的に記録する機器には一般的に、映像から電気信号に変換する装置が用いられる(これを撮像装置と呼ぶ)。近年では撮像装置には、半導体素子の一種である電荷結合素子センサ(一般的にCCDセンサと呼ぶ。以下CCDセンサと記す)や、MOSセンサが用いられ、これらの機器の小型化・低価格化に貢献している。これらの撮像装置は、1つの光検知素子が内蔵された微小な画素を多数平面に並べることにより一画面を構成する。したがって撮像装置の性能は、これら多数の画素の性能により決定される。   In general, a device that converts an image into an electric signal is used for an apparatus for electromagnetically recording an image such as a digital video recorder, a digital still camera, or a mobile phone with a camera that has been rapidly increasing recently. Called device). In recent years, charge coupled device sensors (generally referred to as CCD sensors; hereinafter referred to as CCD sensors) and MOS sensors, which are a kind of semiconductor elements, are used in imaging devices, and these devices are reduced in size and price. Contributing to These image pickup apparatuses constitute one screen by arranging a large number of minute pixels each including a single light detection element on a plane. Therefore, the performance of the imaging device is determined by the performance of these many pixels.

撮像装置の性能の中でも特に重要なのは、微小な入力画像を低雑音(すなわち低S/N比)で電気信号に変換できる能力や、入力画像を高電気信号出力できる能力(すなわち高増幅率)である。   Particularly important in the performance of imaging devices is the ability to convert minute input images into electrical signals with low noise (ie, low S / N ratio) and the ability to output input images with high electrical signals (ie, high amplification factor). is there.

低S/N比や高増幅率を達成するための方法として、画素内の光検知素子のS/N比や増幅率を改善する方法がまず考えられるが、以下に説明する方法も一般に採用される。   As a method for achieving a low S / N ratio and a high amplification factor, a method of improving the S / N ratio and the amplification factor of the photodetecting element in the pixel can be considered first, but the method described below is also generally adopted. The

図19は、従来の典型的な固体撮像装置における1つの画素の断面を表す図である。同図のように画素1601は、光検知素子1602と、集光素子1603と、色フィルタ1604と、配線1606とを有する。画素1601への入射光1605は、集光素子1603によって集光され、色フィルタ1604によって赤色もしくは青色もしくは緑色に色分離された後、光検知素子1602に入力される。集光素子1603によって光検知素子1602に入射する入射光1605の強度密度が増大されるため、低S/N比や増幅率の改善が可能になる。   FIG. 19 is a diagram illustrating a cross section of one pixel in a conventional typical solid-state imaging device. As shown in the figure, the pixel 1601 includes a light detection element 1602, a light collection element 1603, a color filter 1604, and a wiring 1606. Incident light 1605 to the pixel 1601 is collected by the light collecting element 1603, separated into red, blue, or green by the color filter 1604 and then input to the light detecting element 1602. Since the intensity density of the incident light 1605 incident on the light detection element 1602 is increased by the condensing element 1603, it is possible to improve the low S / N ratio and the amplification factor.

ここで問題になるのは、入射光1605の入射角度が変化したとき、集光素子1603による焦点も変化してしまい、光検知素子1602上に集光されなくなるということである。画素1601が撮像装置内の周辺の画素である場合、このことは顕著に生じる。   The problem here is that when the incident angle of the incident light 1605 changes, the focal point of the light condensing element 1603 also changes, and the light is not condensed on the light detecting element 1602. This is noticeable when the pixel 1601 is a peripheral pixel in the imaging device.

この課題を解決するため、各画素に対し非対称に集光素子を配置する従来例がある(特許文献2)。もしくは、撮像装置の周辺の画素では、集光素子に対する光検知素子1602の位置をずらすことも従来に行われている。しかしこれらの従来例においては入射光1605の入射角が比較的小さいときには効果が高いが、入射角が大きくなると効果が低くなるという問題がある。また、入射光1605の角度に従って、光検知素子1602に対する配線1606の位置を変化させる必要があるが、通常、回路配置位置の制約(レイアウトルール)があるため、この位置変化が不可能になる場合もある。   In order to solve this problem, there is a conventional example in which light collecting elements are arranged asymmetrically with respect to each pixel (Patent Document 2). Alternatively, in the peripheral pixels of the imaging device, the position of the light detection element 1602 with respect to the light condensing element is conventionally shifted. However, in these conventional examples, the effect is high when the incident angle of the incident light 1605 is relatively small, but there is a problem that the effect is reduced when the incident angle is increased. Further, it is necessary to change the position of the wiring 1606 with respect to the light detection element 1602 in accordance with the angle of the incident light 1605. Usually, there is a restriction on the circuit arrangement position (layout rule), and this position change becomes impossible. There is also.

入射角が大きいときも画素の特性を維持するという課題を達成するために、特許文献1では、図20(a)のように集光素子を形成している。図20(a)に示す画素は、輪帯状の複数の光透過膜1501と、基板1502と、光検知素子1504と、配線1506を有する。光透過膜1501は中心を同じくする円もしくは輪帯状に加工されている。輪帯の幅は自然光の波長程度であるか、それよりも小さく、典型的には0.1μm程度である。光透過膜1501を通過する入射光1505の感じる屈折率は、光透過膜1501の面上で、波長程度の大きさの領域で平均化された値となり、光透過膜1501の屈折率もしくは媒質(典型的には空気)の屈折率の値にはならない。輪帯の幅が極めて細いため、入射光1505の感じる屈折率は輪帯の幅に依存し、光透過膜1501の屈折率と媒質の屈折率の中間の値となる。すなわち、光透過膜1501の面は、入射光1505にとっては、同心円状に屈折率が分布していることと同等である。この屈折率の分布を適切に与えておくと、光透過膜1501および基板1502を通過した入射光1505は回折効果により集光され、光検知素子1502に到達する。入射光1505の集光される位置は光透過膜1501の形状を変化させることにより制御できる。従って、入射光1505の入射角を考慮して光透過膜1501の形状を設計することにより、性能を劣化させることなく光検知素子1502に集光させることが出来、前記課題が達成できる。   In order to achieve the problem of maintaining the characteristics of the pixel even when the incident angle is large, in Patent Document 1, a condensing element is formed as shown in FIG. A pixel illustrated in FIG. 20A includes a plurality of annular light transmission films 1501, a substrate 1502, a light detection element 1504, and a wiring 1506. The light transmission film 1501 is processed into a circle or an annular shape having the same center. The width of the annular zone is about the wavelength of natural light or smaller, typically about 0.1 μm. The refractive index perceived by the incident light 1505 that passes through the light transmission film 1501 is a value averaged over a region of the order of the wavelength on the surface of the light transmission film 1501, and the refractive index or medium ( It is not typically the value of the refractive index of air). Since the width of the annular zone is extremely thin, the refractive index felt by the incident light 1505 depends on the width of the annular zone, and is an intermediate value between the refractive index of the light transmission film 1501 and the refractive index of the medium. In other words, the surface of the light transmission film 1501 is equivalent to the refractive index distributed concentrically for the incident light 1505. If this refractive index distribution is appropriately given, the incident light 1505 that has passed through the light transmission film 1501 and the substrate 1502 is condensed by the diffraction effect and reaches the light detection element 1502. The position where the incident light 1505 is collected can be controlled by changing the shape of the light transmission film 1501. Therefore, by designing the shape of the light transmission film 1501 in consideration of the incident angle of the incident light 1505, the light detection element 1502 can be focused without degrading the performance, and the above-described problem can be achieved.

図20(b)は、図20(a)を上面から見た図である。1501は光透過膜、1507は媒質である。光透過膜1501と媒質1507はそれぞれ輪帯形状であり、且つ同心円状に配置されている。   FIG.20 (b) is the figure which looked at Fig.20 (a) from the upper surface. Reference numeral 1501 denotes a light transmission film, and 1507 denotes a medium. The light transmission film 1501 and the medium 1507 are each in a ring shape and are arranged concentrically.

国際公開第2005/101067号International Publication No. 2005/101067 特開2001−196568号公報JP 2001-196568 A

しかしながら、図20(b)の形状を通常の半導体装置作製工程により実現しようとすると、以下の問題が生じる。   However, if the shape of FIG. 20B is to be realized by a normal semiconductor device manufacturing process, the following problems occur.

すなわち、1画素分の領域である正方形状の(ここでは例示として正方形を挙げるが、実際には長方形などでも構わない)外周に沿って、光透過膜1501と媒質1507は切り取られる。   That is, the light transmission film 1501 and the medium 1507 are cut off along the outer periphery of a square shape (here, a square is used as an example, but a rectangle may be used in practice) as an area for one pixel.

この外周の切り取りに於いて問題となるのが、1508に示した極小部である。極小部1508の横方向の幅は、外周と集光素子の中心との位置関係により、無限に小さくなる可能性がある。   The minimum portion shown by 1508 is a problem in the cutting of the outer periphery. The width in the horizontal direction of the minimal portion 1508 may be infinitely small depending on the positional relationship between the outer periphery and the center of the light collecting element.

第1の問題として、所望の形状を作製するにはリソグラフィーを用いるが、リソグラフィーでは露光光源の波長に依存し、作製可能な最小寸法が決定されるため、無限に小さい構造は実現できないということである。極小部1508の横方向の幅がこの最小寸法以下であるとして、図20(b)のようなマスクパターンを作成し、露光しようとしても、極小部1508近傍の形状が、歪んだり、消失したりするだけである。つまり、図20(b)のような形状は作製することが出来ない。   The first problem is that lithography is used to produce a desired shape, but in lithography, the minimum size that can be produced is determined depending on the wavelength of the exposure light source, so an infinitely small structure cannot be realized. is there. Assuming that the horizontal width of the minimal portion 1508 is less than or equal to this minimum dimension, even if a mask pattern as shown in FIG. 20B is created and an exposure is attempted, the shape near the minimal portion 1508 is distorted or disappears. Just do it. That is, the shape as shown in FIG. 20B cannot be produced.

第2の問題として、一般的に、通常の半導体装置作製工程で得られる形状・構造にはある一定のばらつきがあり、ばらつき量に対して小さい構造・形状を作製しようとすると、その構造・形状が出現したり、消失したりし、どちらかに制御できないということである。   As a second problem, in general, there is a certain variation in the shape and structure obtained in the normal semiconductor device manufacturing process. Appears or disappears and cannot be controlled either.

例えば、リソグラフィーの場合、露光時、光の強度のばらつきや、ウエハの上面の凹凸・反りにより、露光後の転写形状にばらつきが生じる。そのため、図20(b)のような形状を作製しようとしても、極小部1508の形状が消失するか、歪むか、いずれにせよ形状が大きくばらつくことになる。   For example, in the case of lithography, variations in the transfer shape after exposure occur due to variations in light intensity and unevenness and warpage of the upper surface of the wafer during exposure. For this reason, even if an attempt is made to produce a shape as shown in FIG. 20B, the shape of the minimal portion 1508 disappears or is distorted, and the shape varies greatly in any case.

以上述べたように、特許文献1で開示されている集光素子では、極小部1508のような構造が含まれており、この部分が、通常の半導体装置作製工程では、安定的に作製できないという問題がある。形状が大きく変化するため、工程管理が不可能になったり、歩留まりが低下したり、集光素子の特性が大きくばらついてしまう。   As described above, the condensing element disclosed in Patent Document 1 includes a structure such as the minimum portion 1508, and this portion cannot be stably manufactured in a normal semiconductor device manufacturing process. There's a problem. Since the shape changes greatly, process management becomes impossible, the yield decreases, and the characteristics of the light collecting element vary greatly.

上記課題に鑑み本発明は、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製でき、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止する集光素子、集光素子群および固体撮像装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a condensing element, a condensing element group, and a solid-state imaging device that can be stably manufactured even in a normal semiconductor device manufacturing process and prevent yield reduction and characteristic variation due to variation in the shape of the condensing element. The purpose is to do.

上記課題を解決するために本発明の集光素子は、第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記第1の輪帯領域と前記第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子であって、前記1以上の第1の輪帯領域および前記1つ以上の第2の輪帯領域のうちの少なくとも1つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する。   In order to solve the above-described problems, a light collecting element according to the present invention includes one or more first annular zones having a first refractive index and one having a second refractive index different from the first refractive index. A light condensing element having the above-described second annular zone, wherein the first annular zone and the second annular zone are arranged concentrically and alternately adjacent to each other. At least one of the first annular zone and the one or more second annular zones has a gap in a portion where the width of the annular zone is gradually narrowed.

この構成によれば、第1の輪帯が上記間隙を有することによって、第1の輪帯の幅が製造プロセスにおける作製可能な最小寸法以下になることを防止することができる。これにより、第1の輪帯の形状が、歪んだり、消失したりすることを防止し、かつ、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止することができる。さらに、製造プロセスにおけるばらつき量に対しても制御不能なほどの小さい構造・形状を避けることができ、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製することができる。   According to this configuration, since the first annular zone has the gap, it is possible to prevent the width of the first annular zone from being equal to or less than the minimum dimension that can be produced in the manufacturing process. Thereby, it is possible to prevent the shape of the first annular zone from being distorted or lost, and to prevent a decrease in yield and characteristic variations due to variation in the shape of the light collecting element. Further, a structure and shape that are too small to be controlled with respect to the amount of variation in the manufacturing process can be avoided, and the semiconductor device can be stably manufactured even in a normal semiconductor device manufacturing process.

ここで、前記1つ以上の第1の輪帯領域および前記1つ以上の第2の輪帯領域の少なくとも一方は2段構成であって、前記間隙は、前記2段構成のうちの下段部又は上段部に設けられていてもよい。   Here, at least one of the one or more first annular zones and the one or more second annular zones has a two-stage configuration, and the gap is a lower stage portion of the two-stage configuration. Or you may provide in the upper stage part.

ここで、前記間隙の対向する端面はほぼ平行であってもよい。
ここで、前記1つ以上の第1の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、前記1つ以上の第2の輪帯領域は空気により構成され、前記1以上の第1の輪帯領域うちの少なくとも1つは、前記間隙を有し、前記間隙は、空隙であり隣接する第2の輪帯領域につながっていてもよい。
Here, the opposing end faces of the gap may be substantially parallel.
Here, the one or more first annular zones are formed of a high refractive index material larger than air, the one or more second annular zones are made of air, and the one or more first zones are formed. At least one of the annular zones may have the gap, and the gap may be a gap and connected to the adjacent second annular zone.

この構成によれば、第1の輪帯の幅が徐々に狭くなる部分が空隙に置き換わっていることを特徴とし、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという前記課題を解決する。   According to this configuration, the portion where the width of the first annular zone is gradually narrowed is replaced with a gap, and the above-described problem of preventing yield reduction and characteristic variation due to variation in the shape of the light collecting element is solved. To do.

ここで、前記1つ以上の第1の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、前記1つ以上の第2の輪帯領域は空気により構成され、前記1つ以上の第2の輪帯領域のうちの少なくとも1つは、前記間隙を有し、前記間隙は、前記高屈折率材料で満たされ隣接する第1の輪帯領域につながっていてもよい。   Here, the one or more first annular zones are made of a high refractive index material larger than air, the one or more second annular zones are made of air, and the one or more first zones are made of air. At least one of the two annular zones may have the gap, and the gap may be filled with the high refractive index material and connected to the adjacent first annular zone.

この構成によれば、第1の輪帯の幅が徐々に狭くなる部分の間隙が前記高屈折率材料で満たされており、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという前記課題を解決する。   According to this configuration, the gap in the portion where the width of the first annular zone is gradually narrowed is filled with the high refractive index material, and the yield reduction due to the variation in the shape of the condensing element and the characteristic variation are prevented. Solve the problem.

ここで、前記間隙の面積は、前記集光素子の面積の3%以下であってもよい。
また、本発明の集光素子群は、上記の集光素子である第1の集光素子と、第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記1つ以上の第1の輪帯領域と前記1つ以上の第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第2の集光素子とを有し、前記第1の集光素子と第2の集光素子とは境界を挟んで隣に配置されていてもよい。
Here, the area of the gap may be 3% or less of the area of the light collecting element.
In addition, the light collecting element group of the present invention includes a first light collecting element that is the light collecting element described above, one or more first annular zones having a first refractive index, and a first refractive index. One or more second annular zones having different second refractive indexes, and the one or more first annular zones and the one or more second annular zones are concentric. And the second condensing element that is not adjacent to the first condensing element, and the first condensing element and the second condensing element are disposed adjacent to each other across a boundary. It may be.

ここで、本発明の集光素子群は、少なくとも2つの上記の集光素子である第1、第2の集光素子を有し、前記第1の集光素子の間隙の長さは、前記第2の集光素子の間隙の長さと異なっていてもよい。   Here, the light collecting element group of the present invention includes at least two light collecting elements that are the above light collecting elements, and the length of the gap between the first light collecting elements is It may be different from the length of the gap of the second light collecting element.

ここで、上記の集光素子群は、上記の集光素子を複数個備え、1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していてもよい。   Here, the light collecting element group includes a plurality of the light collecting elements described above, and the length of the gaps in a predetermined number of the light collecting elements arranged in a line may change monotonously.

ここで、上記の集光素子群は、上記の集光素子である第1の集光素子と、第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記1つ以上の第1の輪帯領域と前記1つ以上の第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第2の集光素子とを有し、前記第1の集光素子と第2の集光素子とは隣接して配置されていてもよい。   Here, the light collecting element group includes a first light collecting element that is the light collecting element, one or more first annular zones having a first refractive index, and a first refractive index. One or more second annular zones having different second refractive indexes, and the one or more first annular zones and the one or more second annular zones are concentric. A second condensing element that is alternately adjacent to each other and does not have the gap, and the first condensing element and the second condensing element may be adjacent to each other. Good.

ここで、前記第1の集光素子の間隙の長さは、前記第2の集光素子の間隙の長さと異なっていてもよい。   Here, the length of the gap of the first light collecting element may be different from the length of the gap of the second light collecting element.

ここで、上記の集光素子群において、1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していてもよい。   Here, in the above-described light collecting element group, the length of the gaps in the predetermined number of light collecting elements arranged in a line may change monotonously.

また、本発明の固体撮像装置は、複数の受光素子を含む撮像領域と、前記複数の受光素子に対応する複数の集光素子とを備える固体撮像装置であって、前記複数の集光素子は、上記の集光素子を含む。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device including an imaging region including a plurality of light receiving elements and a plurality of light collecting elements corresponding to the plurality of light receiving elements, wherein the plurality of light collecting elements are , Including the above-described condensing element.

ここで、前記集光素子の中心位置は、前記受光素子の中心位置からずれ量を有し、前記ずれ量は前記集光素子の撮像領域中の位置に依存し、前記間隙の長さは、前記集光素子の撮像領域中の位置に依存していてもよい。   Here, the center position of the light collecting element has a deviation amount from the center position of the light receiving element, the deviation amount depends on the position in the imaging region of the light collecting element, and the length of the gap is You may depend on the position in the imaging area | region of the said condensing element.

本発明における集光素子は、上記構成を有し、通常の半導体装置作製工程でも安定的に作製でき、第1の輪帯の形状が、歪んだり、消失したりすることを防止し、かつ、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止することができる。   The condensing element in the present invention has the above-described configuration, can be stably manufactured even in a normal semiconductor device manufacturing process, prevents the shape of the first annular zone from being distorted or lost, and Yield reduction and characteristic variation due to variation in the shape of the light collecting element can be prevented.

本発明の実施例1に係る集光素子の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the condensing element which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る集光素子の上面図および画素の断面図である。It is the upper side figure of the condensing element which concerns on Example 1 of this invention, and sectional drawing of a pixel. 本発明の実施例2に係る集光素子の構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the condensing element which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例3に係る集光素子の上面図である。It is a top view of the condensing element which concerns on Example 3 of this invention. 本発明の実施例4に係る集光素子群の上面図である。It is a top view of the condensing element group which concerns on Example 4 of this invention. 本発明の実施例5に係る集光素子を示す図である。It is a figure which shows the condensing element which concerns on Example 5 of this invention. 本発明の実施例6に係る集光素子群を示す図である。It is a figure which shows the condensing element group which concerns on Example 6 of this invention. 本発明の実施例7に係る集光素子群を説明する上面図である。It is a top view explaining the condensing element group which concerns on Example 7 of this invention. 本発明の実施例8に係る集光素子の上面図である。It is a top view of the condensing element which concerns on Example 8 of this invention. 本発明の実施例8に係る集光素子のもう一つの例を示す図である。It is a figure which shows another example of the condensing element which concerns on Example 8 of this invention. 本発明の実施例9に係る集光素子群を示す図である。It is a figure which shows the condensing element group which concerns on Example 9 of this invention. 本発明の実施例10に係る集光素子群を示す図である。It is a figure which shows the condensing element group which concerns on Example 10 of this invention. 本発明の実施例11に係る集光素子群を示す図である。It is a figure which shows the condensing element group which concerns on Example 11 of this invention. 本発明の実施例12に係る集光素子群を説明する図である。It is a figure explaining the condensing element group which concerns on Example 12 of this invention. 本発明の実施例13に係る集光素子および画素の上面図と断面図である。It is the top view and sectional drawing of a condensing element and a pixel which concern on Example 13 of this invention. 2段構成集光素子の製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of a 2 step | paragraph structure condensing element. いくつかの隣接する集光素子に対し、その1つ目の適用例を示す図である。It is a figure which shows the example of the 1st application with respect to several adjacent condensing elements. いくつかの隣接する集光素子に対し、その2つ目の適用例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of application with respect to several adjacent condensing elements. 従来の典型的な固体撮像装置における1つの画素の断面図である。It is sectional drawing of one pixel in the conventional typical solid-state imaging device. (a)従来技術における集光素子の断面図である。(b)従来技術における集光素子の上面図である。(A) It is sectional drawing of the condensing element in a prior art. (B) It is a top view of the condensing element in a prior art. 本発明の実施例7の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of Example 7 of this invention.

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
本発明の集光素子は、第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記第1の輪帯領域と前記第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置されている。第1および第2の輪帯領域の幅は、入射光の波長程度あるいはそれより短い幅を有する。これにより、集光素子のレンズ機能を実現している。
Embodiments according to the present invention will be described below.
The condensing element of the present invention includes one or more first annular zones having a first refractive index and one or more second annular zones having a second refractive index different from the first refractive index. The first annular zone region and the second annular zone region are arranged concentrically and alternately adjacent to each other. The widths of the first and second annular zones are about the wavelength of incident light or shorter. Thereby, the lens function of the condensing element is realized.

また、第1の輪帯領域の少なくとも1つ、または第2の輪帯領域の少なくとも1つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する。この間隙は、第1の輪帯の幅が製造プロセスにおける作製可能な最小寸法以下になることを防止している。また、上記の間隙の対向する端面はほぼ平行である。つまり、上記の間隙は輪帯の幅方向にほぼ平行に一部が欠落した形状になっている。この形状は既存の製造プロセスにより容易に形成できる。   In addition, at least one of the first annular zones or at least one of the second annular zones has a gap in a portion where the width of the annular zone is gradually narrowed. This gap prevents the width of the first annular zone from being less than the minimum size that can be produced in the manufacturing process. Further, the opposing end faces of the gap are substantially parallel. In other words, the gap has a shape in which a part is omitted substantially in parallel with the width direction of the annular zone. This shape can be easily formed by an existing manufacturing process.

以下、図面を参照しながら具体的な実施例について説明する。以下の図で、同じ符号のものは同一の構成要素を表す。   Hereinafter, specific embodiments will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same reference numerals represent the same components.

実施例1では、第1の輪帯領域が空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、第2の輪帯領域が空気により構成され、間隙が空隙であり隣接する第2の輪帯領域につながっている構成について説明する。   In the first embodiment, the first annular zone region is formed of a high refractive index material larger than air, the second annular zone region is made of air, and the gap is a gap between adjacent second annular zone regions. The connected configuration will be described.

図1は本発明の実施例1に係る集光素子の構成を示す上面図である。同図の集光素子は、画素端空隙部101によって隣接する他の集光素子と隔てられ、第2の輪帯である画素内高屈折率部102と、第1の輪帯である画素内空隙部103と、空隙104とを有する。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。その同心円の中心は、画素中心に一致することもあれば、一致しない(画素中心に対し偏心する)こともある。ここで、画素端空隙部101、画素内空隙部103、空隙104は、画素内高屈折率部102よりも屈折率の低い材料(以下、低屈折率材料と記す)で形成されている。低屈折率材料、画素内高屈折率部102の材料の典型的な組み合わせはそれぞれ、空気とシリコン酸化膜である。また、空気とTiO2でもよい。また、空気とシリコン窒化膜でもよい。また、シリコン酸化膜とTiO2でもよい。また、これらの材料に限られることなく、低屈折率材料の屈折率が、画素内高屈折率部102の材料の屈折率よりも小さければ、原理上は許される。 FIG. 1 is a top view showing the configuration of the light collecting element according to Embodiment 1 of the present invention. The condensing element in the figure is separated from other condensing elements adjacent to each other by a pixel end gap portion 101, and the in-pixel high refractive index portion 102 which is the second annular zone and the in-pixel which is the first annular zone. It has a gap 103 and a gap 104. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically. The center of the concentric circle may coincide with the pixel center or may not coincide (eccentric with respect to the pixel center). Here, the pixel end gap portion 101, the in-pixel gap portion 103, and the gap 104 are formed of a material having a refractive index lower than that of the in-pixel high refractive index portion 102 (hereinafter referred to as a low refractive index material). A typical combination of the low refractive index material and the material of the high refractive index portion 102 in the pixel is air and a silicon oxide film, respectively. Also, air and TiO 2 may be used. Further, air and a silicon nitride film may be used. Further, a silicon oxide film and TiO 2 may be used. Further, the present invention is not limited to these materials, and in principle, it is permissible if the refractive index of the low refractive index material is smaller than the refractive index of the material of the in-pixel high refractive index portion 102.

図2は、図1に示した本発明の実施例1に係る集光素子の上面図および画素の断面図である。画素307は、受光部306と、遮光膜305と、集光素子とを含む。遮光膜305は。配線を兼ねることもある。受光部306は、通常、光検知素子(一般にはフォトダイオードである)が設置される。これらに加えて、カラーフィルターなど、他の構成物も含まれることがある。これらで、画素307が形成される。   FIG. 2 is a top view of the light-collecting element according to Example 1 of the present invention shown in FIG. 1 and a cross-sectional view of the pixel. The pixel 307 includes a light receiving unit 306, a light shielding film 305, and a light collecting element. The light shielding film 305. May also serve as wiring. The light receiving unit 306 is usually provided with a light detection element (generally a photodiode). In addition to these, other components such as color filters may be included. Thus, a pixel 307 is formed.

画素307の典型的な一辺の長さは6μm〜1μm程度である。また、画素内空隙部103の最小幅は0.1μm程度である。これは、画素内高屈折率部102の最小幅も同様である。画素端空隙部101の幅は、0.1μm〜1μm程度である。ただし、これらの最小寸法は、製造装置に依存するものであり(例えば露光装置に依存)、これに限られるものではない。ここで示した最小寸法は、露光のための光として、KrFを用いた場合である。また、高屈折率材料としてシリコン酸化膜、低屈折率材料として空気を用いた場合、画素内高屈折率部102の厚さ(図2の中にtで示した)は、約1.2μmである。ただし、これに限られるものではない。   A typical side length of the pixel 307 is about 6 μm to 1 μm. Further, the minimum width of the in-pixel gap 103 is about 0.1 μm. The same applies to the minimum width of the in-pixel high refractive index portion 102. The width of the pixel end gap 101 is about 0.1 μm to 1 μm. However, these minimum dimensions are dependent on the manufacturing apparatus (for example, depending on the exposure apparatus), and are not limited thereto. The minimum dimension shown here is a case where KrF is used as light for exposure. When a silicon oxide film is used as the high refractive index material and air is used as the low refractive index material, the thickness of the high refractive index portion 102 in the pixel (indicated by t in FIG. 2) is about 1.2 μm. is there. However, the present invention is not limited to this.

図1、図2に示した本発明の実施例1に係る集光素子を製造するには、例えば以下の工程で可能である。まず、集光素子の下面までの構造を、固体光検知素子の一般的な製造工程などで作製したあと、その上面に画素内高屈折率部102の元になるべき高屈折率薄膜を積層する。次にその上にフォトレジストを積層し、スキャナ、ステッパなどの露光装置により露光、現像する。その後、ドライエッチングなどの手段により、高屈折率薄膜をエッチングし、フォトレジストを除去すれば完成する。ただし、製造方法はこれに限られるものではない。   In order to manufacture the condensing element according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, for example, the following steps are possible. First, after the structure up to the lower surface of the light condensing element is produced by a general manufacturing process of the solid-state photodetecting element, a high refractive index thin film to be the basis of the in-pixel high refractive index portion 102 is laminated on the upper surface. . Next, a photoresist is laminated thereon, and exposed and developed by an exposure apparatus such as a scanner or a stepper. Thereafter, the high refractive index thin film is etched by means such as dry etching, and the photoresist is removed to complete. However, the manufacturing method is not limited to this.

図1において、画素内空隙部103が、画素端空隙部101に接近する近傍で、画素内高屈折率部102に、空隙104が配置されている。この空隙104により、画素内高屈折率部102の直径方向の幅が小さくなって、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することが出来る。   In FIG. 1, a gap 104 is arranged in the in-pixel high refractive index portion 102 in the vicinity where the in-pixel gap portion 103 approaches the pixel end gap portion 101. Due to the air gap 104, it is possible to prevent the width in the diameter direction of the high refractive index portion 102 in the pixel from being reduced to a size that cannot be manufactured in the semiconductor manufacturing process.

実施例1では、第1の輪帯領域に間隙としての空隙が設けられる例を説明したが、実施例2では、第2の輪帯領域に間隙が設けられる例について説明する。この場合、間隙は、高屈折率材料で満たされ隣接する第1の輪帯領域につながっている。   In the first embodiment, an example in which a gap as a gap is provided in the first annular zone has been described. In the second embodiment, an example in which a gap is provided in the second annular zone will be described. In this case, the gap is filled with a high refractive index material and is connected to the adjacent first annular zone region.

図3は本発明の実施例2に係る集光素子の構成を示す上面図である。同図の集光素子は、図1と比べて、空隙104の代わりに間隙203を有する点が異なっている。間隙203は、集光素子中心から外向きに凸状であり、高屈折率材料により形成される。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。その同心円の中心は、画素中心に一致することもあれば、一致しない(画素中心に対し偏心する)こともある。また、材料、寸法、製造方法などについては実施例1と同様である。   FIG. 3 is a top view showing the configuration of the light collecting element according to the second embodiment of the present invention. The condensing element of the figure is different from that of FIG. 1 in that it has a gap 203 instead of the gap 104. The gap 203 is convex outward from the center of the light collecting element and is formed of a high refractive index material. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically. The center of the concentric circle may coincide with the pixel center or may not coincide (eccentric with respect to the pixel center). The material, dimensions, manufacturing method, and the like are the same as those in the first embodiment.

図3において、画素内空隙部103の領域のうち、画素内高屈折率部102が画素端に接近する近傍に、高屈折率材料で満たされた間隙203が配置されている。間隙203を配置することにより、画素内空隙部103の直径方向の幅が小さくなって、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。   In FIG. 3, a gap 203 filled with a high refractive index material is disposed in the vicinity of the intra-pixel high refractive index portion 102 close to the pixel end in the region of the intra-pixel void portion 103. By disposing the gap 203, it is possible to avoid that the width in the diameter direction of the in-pixel gap portion 103 becomes small and cannot be produced in the semiconductor manufacturing process.

図4に本発明の実施例3に係る集光素子の上面図を示す。同図において、画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれほぼ円形であり、同心円状に配置されている。   FIG. 4 shows a top view of a light collecting element according to Example 3 of the present invention. In the same figure, the in-pixel void portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and arranged concentrically.

図4では、同心円中心が画素中心に対し、斜め方向にずれている。この場合、図4のように2箇所空隙104を配置すれば、半導体製造工程で作製できないほど小さくなることを回避することが出来る。   In FIG. 4, the concentric circle center is shifted in an oblique direction with respect to the pixel center. In this case, if the two gaps 104 are arranged as shown in FIG. 4, it can be avoided that the gap 104 becomes too small to be manufactured in the semiconductor manufacturing process.

図5に本発明の実施例4に係る集光素子群の上面図を示す。図5では、左側の画素に搭載した集光素子では空隙104がないが、右側の画素に搭載した集光素子では空隙104がある。これは、左側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的近い箇所に同心円の中心があるが、右側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的遠い箇所に同心円の中心があるためである。このように、同心円中心位置が画素毎に変化する場合、空隙104を設置するか否かは、次のように決定すれば、安定的・且つ高歩留まりで集光素子を作製することが出来る。   FIG. 5 shows a top view of a condensing element group according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 5, the light condensing element mounted on the left pixel does not have the gap 104, but the light condensing element mounted on the right pixel has the air gap 104. This is because the concentric circle center is located at a position relatively close to the pixel center in the condensing element mounted on the left pixel, but the concentric center is located at a position relatively distant from the pixel center in the condensing element mounted on the right pixel. Because there is. As described above, when the center position of the concentric circle changes for each pixel, whether or not the air gap 104 is to be installed can be manufactured stably and with a high yield by determining as follows.

図5に示した距離dに着目し、
d < k1λ/NA
が満たされれば、この位置に空隙104を配置すればよい。ここで、NAは露光装置の開口数、λは露光波長、k1は比例係数である。露光装置として、KrFスキャナを用い、位相シフトマスクを用いた場合は、右辺は約0.1μm程度となる。
Paying attention to the distance d shown in FIG.
d <k1λ / NA
If this is satisfied, the air gap 104 may be disposed at this position. Here, NA is the numerical aperture of the exposure apparatus, λ is the exposure wavelength, and k1 is a proportional coefficient. When a KrF scanner is used as the exposure apparatus and a phase shift mask is used, the right side is about 0.1 μm.

これを無視し、上式が成立しているにもかかわらず空隙104を配置しない場合、この部分でレジストのブリッジや消失が生じてしまい、現実的には製造できなくなってしまう。実際には、上式よりも余裕を持ってdの最小寸法を決定した方がよい。KrFスキャナを用いた場合、0.2μm程度にすると、安定的に集光素子を製造できることを我々は見出している。   If this is ignored and the gap 104 is not arranged even though the above equation is satisfied, resist bridging or disappearance occurs at this portion, and it becomes impossible to manufacture practically. Actually, it is better to determine the minimum dimension of d with a margin than the above formula. When a KrF scanner is used, we have found that a light collecting element can be stably manufactured when the thickness is about 0.2 μm.

注意点としては、空隙104が大きくなりすぎると、空隙104を加えたことによる集光素子の特性劣化などの影響が生じるので、空隙104の面積は、画素面積に対して3%以下程度にとどめておくことが望ましい。   As a point of caution, if the gap 104 becomes too large, there is an effect such as deterioration of the characteristics of the light collecting element due to the addition of the gap 104. Therefore, the area of the gap 104 is limited to about 3% or less with respect to the pixel area. It is desirable to keep it.

図6に本発明の実施例5に係る集光素子を示す。本実施例では、画素中心に対し同心円中心が斜めにずれているため、空隙104が2箇所配置される必要がある。その他は実施例4と同様である。   FIG. 6 shows a condensing element according to Example 5 of the present invention. In this embodiment, the center of the concentric circle is obliquely displaced with respect to the center of the pixel, so that two gaps 104 need to be arranged. Others are the same as in Example 4.

図7に本発明の実施例6に係る集光素子群を示す。図7は、実際の固体撮像素子上に配置されている本発明に係る複数の集光素子の一部を抜き出したものである。固体撮像装置は一般に、2次元的に画素が配列され、各画素の最上部には集光素子が搭載される構造を持つ。一般のカメラシステムでは、この固体撮像素子の上側にさらに撮像用の光学レンズが配置されており、撮像したい外部からの像を固体撮像素子上に投射する。この投射像は広がりを持つために、各画素への入射光の主光線角度は、その画素の位置により変化する。すなわち、固体光検知素子上の中心に位置する画素への入射光の角度は固体光検知素子に対し垂直だが、そこから位置が固体光検知素子の周辺に移動するに従って、入射光が斜めになっていく。これに対応し、集光素子の中心位置を徐々に変化させ、各画素内の受光面に入射光が導かれるようにする。   FIG. 7 shows a condensing element group according to Example 6 of the present invention. FIG. 7 shows a part of a plurality of condensing elements according to the present invention arranged on an actual solid-state image sensor. In general, a solid-state imaging device has a structure in which pixels are two-dimensionally arranged, and a condensing element is mounted on the top of each pixel. In a general camera system, an optical lens for imaging is further arranged on the upper side of the solid-state image sensor, and an image from the outside to be imaged is projected onto the solid-state image sensor. Since this projection image has a spread, the chief ray angle of the incident light on each pixel changes depending on the position of the pixel. In other words, the angle of the incident light to the pixel located at the center on the solid-state light detection element is perpendicular to the solid-state light detection element, but the incident light becomes oblique as the position moves from there to the periphery of the solid-state light detection element. To go. Correspondingly, the center position of the condensing element is gradually changed so that incident light is guided to the light receiving surface in each pixel.

このとき、中心位置が徐々に変化するに従って、空隙104a、104b、104cの幅を徐々に変化させることにより、集光素子の特性劣化をきたすことなく安定的に製造することができる。   At this time, by gradually changing the widths of the gaps 104a, 104b, and 104c as the center position gradually changes, it is possible to manufacture stably without deteriorating the characteristics of the light collecting element.

ここでは、横方向に隣接する集光素子を示したが、縦方向に隣接の場合や、斜め方向に隣接の場合も同様である。   Here, although the condensing elements adjacent in the horizontal direction are shown, the same applies to the case where they are adjacent in the vertical direction and the case where they are adjacent in the oblique direction.

なお、上記の固体撮像装置は、静止画または動画を撮像する機能を有するものに限らず、単に光の有無や変化を検知する光検知機能を有するものでもよい。   Note that the above-described solid-state imaging device is not limited to having a function of capturing a still image or a moving image, but may have a light detection function of simply detecting the presence or absence of light or a change.

図8は本発明の実施例7に係る集光素子群を説明する上面図である。ここでは、4画素分の集光素子を示している。図中の各画素に配置されている集光素子において、画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。図8(a)は、実施例6に記載した通りに、空隙104aが配置されている。すなわち、104a、104b、104cと右方向へ行くに従い、空隙104の幅が大きくなっている。それに対し、図8(b)では、ほぼ図8(a)と配置は同じだが、空隙104の幅が右方向へ行くに従って必ずしも大きくなっていない。しかし、空隙104fは空隙104dに対し幅が大きくなっており、図8(b)の4画素を大局的に見ると図8(a)と同様に右方向に幅が大きくなっているといえる。このように局所的には空隙の幅が単調変化していなくても、大局的には単調変化していれば、つまり、1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化していれば、実施例6と同様の効果を得ることができる。ただし、実施例6で述べた空隙の配置方法と、この実施例7の配置方法が大幅に異なると、固体撮像装置からの出力画像にムラやノイズが重畳されることになるので注意が必要である。   FIG. 8 is a top view for explaining a condensing element group according to Embodiment 7 of the present invention. Here, a condensing element for four pixels is shown. In the light condensing element arranged in each pixel in the figure, the in-pixel void portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and arranged concentrically. In FIG. 8A, the gap 104a is arranged as described in the sixth embodiment. That is, the width of the gap 104 increases as it goes to the right, 104a, 104b, 104c. On the other hand, in FIG. 8B, the arrangement is almost the same as FIG. 8A, but the width of the gap 104 does not necessarily increase as it goes to the right. However, the width of the gap 104f is larger than that of the gap 104d. When the four pixels in FIG. 8B are viewed globally, it can be said that the width is increased in the right direction as in FIG. 8A. In this way, even if the gap width does not change monotonically locally, if it changes monotonically globally, that is, the length of the gaps in a predetermined number of the light-collecting elements arranged in a row is monotonous. If this is changed, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained. However, if the arrangement method of the gap described in the sixth embodiment and the arrangement method of the seventh embodiment are significantly different, it is necessary to pay attention because unevenness and noise are superimposed on the output image from the solid-state imaging device. is there.

図21は本発明の実施例7に係る集光素子群の発明の効果を説明する図である。集光素子の大きさを5.6μm角とし、空隙104の最小寸法を幅200μm、長さ150μmとしたとき、各画素での信号強度の変化を示している。横軸は画素の位置であり、固体撮像装置上で中心から外側方向へ移動したときの座標を画素単位で示している。縦軸は信号強度であるが、座標0における画素の信号強度で規格化している。   FIG. 21 is a diagram for explaining the effect of the invention of the light collecting element group according to Example 7 of the invention. When the size of the condensing element is 5.6 μm square and the minimum size of the gap 104 is 200 μm wide and 150 μm long, the change in signal intensity at each pixel is shown. The horizontal axis is the pixel position, and the coordinates when moving from the center to the outside on the solid-state imaging device are shown in units of pixels. The vertical axis represents the signal intensity, but is normalized by the pixel signal intensity at coordinate 0.

例えば、理想形状の集光素子群が作製可能だとした場合、図21のように直線的に信号強度が減少する場合を考える。これに本発明を適用した場合、空隙104を導入する前後で信号強度の不連続変化が生じる。しかし、空隙104を十分小さくした場合はこの不連続量は出力画像上で確認できない程度に小さくすることができる(この場合だと約1%未満)。それに対し、本発明を適用しない場合は、形状が不安定になることが予想されるため、図21のように単調でない特性になってしまう。これは出力画像においてザラとして確認できてしまう。   For example, let us consider a case where the signal intensity decreases linearly as shown in FIG. When the present invention is applied to this, a signal intensity discontinuous change occurs before and after the introduction of the air gap 104. However, when the gap 104 is made sufficiently small, this discontinuous amount can be made so small that it cannot be confirmed on the output image (in this case, less than about 1%). On the other hand, when the present invention is not applied, the shape is expected to be unstable, so that the characteristics are not monotonous as shown in FIG. This can be confirmed as rough in the output image.

図9に本発明の実施例8に係る集光素子の上面図を示す。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。   FIG. 9 shows a top view of a condensing element according to Embodiment 8 of the present invention. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically.

図9では、同心円中心が画素中心に対し、斜め方向にずれている。この場合、図9のように2箇所高屈折率材料で満たされた間隙203を配置すれば、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。   In FIG. 9, the center of the concentric circle is shifted obliquely with respect to the pixel center. In this case, if a gap 203 filled with two high refractive index materials is arranged as shown in FIG. 9, it is possible to avoid a size that cannot be manufactured in the semiconductor manufacturing process.

図10は本発明の実施例8に係る集光素子のもう一つの例である。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。図10の集光素子では、上下左右の画素境界で画素内高屈折率材料で満たされた間隙203が接するので、上下左右4箇所に、高屈折率材料で満たされた間隙203が配置されている。図9、図10以外にも様々な形状の集光素子が考えられるが、同じ考え方で高屈折率材料で満たされた間隙203を配置することで、半導体製造工程で作製できない大きさになることを回避することができる。   FIG. 10 shows another example of the light collecting element according to the eighth embodiment of the present invention. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically. In the condensing element of FIG. 10, the gap 203 filled with the high refractive index material in the pixel is in contact with the upper, lower, left, and right pixel boundaries, and therefore, the gap 203 filled with the high refractive index material is arranged at four positions on the upper, lower, left, and right. Yes. Various shapes of condensing elements other than those shown in FIGS. 9 and 10 are conceivable. However, if the gap 203 filled with a high refractive index material is disposed in the same way, the size cannot be produced in the semiconductor manufacturing process. Can be avoided.

図11に本発明の実施例9に係る集光素子群を示す。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。   FIG. 11 shows a condensing element group according to Example 9 of the present invention. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically.

図11では、左側の画素に搭載した集光素子では高屈折率材料で満たされた間隙203がないが、右側の画素に搭載した集光素子では高屈折率材料で満たされた間隙203がある。これは、左側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的近い箇所に同心円の中心があるが、右側の画素に搭載した集光素子では画素中心に比較的遠い箇所に同心円の中心があるためである。このように、同心円中心位置が画素毎に変化する場合、高屈折率材料で満たされた間隙203を設置するか否かは、次のように決定すれば、安定的、且つ高歩留まりで集光素子を作製することができることは実施例4と同様である。   In FIG. 11, the condensing element mounted on the left pixel does not have the gap 203 filled with the high refractive index material, but the condensing element mounted on the right pixel has the gap 203 filled with the high refractive index material. . This is because the concentric circle center is located at a position relatively close to the pixel center in the condensing element mounted on the left pixel, but the concentric center is located at a position relatively distant from the pixel center in the condensing element mounted on the right pixel. Because there is. As described above, when the concentric circle center position changes for each pixel, whether or not the gap 203 filled with the high refractive index material is to be installed is determined as follows. The device can be manufactured as in Example 4.

図12に本発明の実施例10に係る集光素子群を示す。画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。   FIG. 12 shows a condensing element group according to Example 10 of the present invention. The in-pixel gap portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and are arranged concentrically.

本実施例では、画素中心に対し同心円中心が斜めにずれているため、高屈折率材料で満たされた間隙203が2箇所配置される必要がある。その他は実施例9と同様である。   In this embodiment, since the center of the concentric circle is obliquely displaced with respect to the pixel center, it is necessary to arrange two gaps 203 filled with the high refractive index material. Others are the same as in Example 9.

図13に本発明の実施例11に係る集光素子群を示す。ここでは、隣接する4画素分の集光素子を示している。各画素に配置されている集光素子において、画素内空隙部103と画素内高屈折率部102はそれぞれ略円形であり、同心円状に配置されている。   FIG. 13 shows a condensing element group according to Example 11 of the present invention. Here, condensing elements for four adjacent pixels are shown. In the light condensing element arranged in each pixel, the in-pixel void portion 103 and the in-pixel high refractive index portion 102 are each substantially circular and arranged concentrically.

実施例6と同様に、高屈折率材料で満たされた間隙203a、203b、203cの幅を徐々に変化させれば、集光素子の特性劣化をきたすことなく安定的に製造することができる。   Similarly to the sixth embodiment, if the widths of the gaps 203a, 203b, 203c filled with the high refractive index material are gradually changed, the light collecting element can be stably manufactured without deteriorating the characteristics.

図14は本発明の実施例12に係る集光素子群を説明する図である。ここでは、4画素分の集光素子を示している。図中の各画素に配置されている集光素子において、図14(a)は、実施例11に記載した通りに、高屈折率材料で満たされた間隙203a、203b、203cが配置されている。すなわち、高屈折率材料で満たされた間隙203a、203b、203cと右方向へ行くに従い、幅が小さくなっている。それに対し、図14(b)では、ほぼ図14(a)と配置は同じだが、高屈折率材料で満たされた間隙203d、203e、203fの幅が右方向へ行くに従って必ずしも小さくなっていない。しかし、高屈折率材料で満たされた間隙203fは203dに対し幅が小さくなっており、図14(b)の4画素を大局的に見ると図14(a)と同様に右方向に幅が小さくなっている、つまり、1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙203の長さは単調に小さくなっている。このように局所的には間隙203の幅が単調変化していなくても、大局的には単調変化していれば、実施例11と同様の効果を得ることができる。ただし、実施例11で述べた空隙の配置方法と、この実施例12の配置方法が大幅に異なると、固体撮像装置からの出力画像にムラやノイズが重畳されることになるので注意が必要である。   FIG. 14 is a view for explaining a condensing element group according to Embodiment 12 of the present invention. Here, a condensing element for four pixels is shown. In the light condensing element arranged in each pixel in the drawing, FIG. 14A shows gaps 203a, 203b, 203c filled with a high refractive index material as described in the eleventh embodiment. . That is, the width decreases as the gaps 203a, 203b, 203c filled with the high refractive index material go to the right. On the other hand, in FIG. 14B, the arrangement is almost the same as in FIG. 14A, but the widths of the gaps 203d, 203e, 203f filled with the high refractive index material are not necessarily reduced toward the right. However, the gap 203f filled with the high refractive index material has a smaller width than 203d. When the four pixels in FIG. 14 (b) are viewed globally, the width is the right as in FIG. 14 (a). In other words, the length of the gap 203 in the predetermined number of the light-collecting elements arranged in a row is monotonously reduced. As described above, even if the width of the gap 203 does not change monotonically locally, the same effect as that of the eleventh embodiment can be obtained as long as the gap 203 changes monotonically. However, if the arrangement method of the air gap described in the eleventh embodiment and the arrangement method of the twelfth embodiment are significantly different, care must be taken because unevenness and noise are superimposed on the output image from the solid-state imaging device. is there.

図15は、本発明の実施例13に係る集光素子を有する画素の上面図および断面図である。図15の集光素子は、2段構成であり、図1、図2等と比べて上段部の画素内高屈折率部1701が追加されている点が異なっている。   FIG. 15 is a top view and cross-sectional view of a pixel having a condensing element according to Embodiment 13 of the present invention. The light collecting element of FIG. 15 has a two-stage configuration, and is different from FIGS. 1 and 2 in that an upper pixel high refractive index portion 1701 is added.

本発明の実施例13を説明する前に、図15に示した2段構成集光素子の製造方法を説明する。図16は2段構成集光素子の製造方法を説明する図である。同図(a)から(e)へ順番に工程が進行する。同図(a)から(e)はそれぞれ、遮光膜や受光素子を含む固体撮像装置の画素1つ分の断面を示す。2002は完成前の集光素子であり、(a)から(e)へ工程が進むに従って加工されていく。2003は第1マスクであり、2003aは第1マスクの遮光部、2003bは第1マスクの光透過部である。2004はレジストである。2005は第2マスクであり、2005aは第2マスクの遮光部、2005bは第2マスクの光透過部である。   Before describing Example 13 of the present invention, a method for manufacturing the two-stage condensing element shown in FIG. 15 will be described. FIG. 16 is a diagram for explaining a method of manufacturing a two-stage condensing element. The process proceeds in order from (a) to (e). FIGS. 4A to 4E each show a cross section of one pixel of a solid-state imaging device including a light shielding film and a light receiving element. 2002 is a light collecting element before completion, and is processed as the process proceeds from (a) to (e). Reference numeral 2003 denotes a first mask, 2003a denotes a light shielding portion of the first mask, and 2003b denotes a light transmission portion of the first mask. Reference numeral 2004 denotes a resist. Reference numeral 2005 denotes a second mask, reference numeral 2005a denotes a light shielding portion of the second mask, and reference numeral 2005b denotes a light transmission portion of the second mask.

図16(a)は加工前の集光素子2002を示している。集光素子2002の材料は典型的にはシリコン酸化膜であり、厚さは0.8μm〜1.5μm程度である。図16(a)の集光素子2002の上面にレジストを塗布し、第1マスク2003を用いて露光する。レジストがポジ型であれば、現像後、レジストの形状は図16(b)の2004のように、第1マスクの光透過部2003bに対応する部分が消失し、第1マスクの遮光部2003aに対応する部分が残る。   FIG. 16A shows the condensing element 2002 before processing. The material of the light collecting element 2002 is typically a silicon oxide film, and the thickness is about 0.8 μm to 1.5 μm. A resist is applied to the upper surface of the light condensing element 2002 in FIG. 16A, and exposure is performed using the first mask 2003. If the resist is a positive type, after development, the resist shape disappears in a portion corresponding to the light transmission portion 2003b of the first mask as shown in 2004 of FIG. 16B, and the light shielding portion 2003a of the first mask disappears. The corresponding part remains.

図16(b)の状態で、レジストのエッチング速度に対し、集光素子2002の材料のエッチング速度が十分大きくなる方法を用いて集光素子2002の厚さ分全てエッチングしたあと、レジストを除去すれば図16(c)のような形状を得ることが出来る。   In the state of FIG. 16B, after etching all the thickness of the light collecting element 2002 using a method in which the etching rate of the material of the light collecting element 2002 is sufficiently larger than the etching rate of the resist, the resist is removed. For example, a shape as shown in FIG.

次に図16(c)の上面にレジストを塗布し、第2マスク2005により露光、現像すれば、図16(d)の形状が得られる。その後、集光素子2002を所定の厚さ分部分エッチングすれば、最終形状である図16(e)が得られる。このときのエッチング深さは典型的には集光素子2002の厚さの4分の1〜3分の1程度である。   Next, if a resist is applied to the upper surface of FIG. 16C and exposed and developed with the second mask 2005, the shape of FIG. 16D is obtained. Then, if the condensing element 2002 is partially etched by a predetermined thickness, the final shape of FIG. 16E is obtained. The etching depth at this time is typically about one-fourth to one-third of the thickness of the light collecting element 2002.

このような2段構成を持った集光素子に対しても、本発明の実施例1から実施例12に挙げた集光素子と同様の方法を適用すれば、集光素子の形状ばらつきによる歩留まり低下、特性ばらつきを防止するという課題を解決することができる。   If a method similar to the light collecting element described in the first to the twelfth embodiments of the present invention is applied to the light collecting element having such a two-stage configuration, the yield due to the variation in the shape of the light collecting element. It is possible to solve the problem of preventing deterioration and characteristic variation.

以下、2段構成集光素子のいくつかの適用例を挙げる。
図17は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その1つ目の適用例を示している。下段の画素内高屈折率部102の上段に画素内高屈折率部151が設けられている。下段部の画素内高屈折率部102は、下段の空隙104を有する。図17に示した集光素子では、本発明の実施例1に係る集光素子と同様に、下段の画素内高屈折率部102に適用している。
Hereinafter, some application examples of the two-stage condensing element will be described.
FIG. 17 shows a first application example of several adjacent light collecting elements. An intra-pixel high refractive index portion 151 is provided in the upper stage of the lower intra-pixel high refractive index portion 102. The lower intra-pixel high refractive index portion 102 has a lower air gap 104. The light collecting element shown in FIG. 17 is applied to the lower in-pixel high refractive index portion 102 as in the light collecting element according to Example 1 of the present invention.

図18は、いくつかの隣接する集光素子に対し、その2つ目の適用例を示している。下段の画素内高屈折率部102の上段に画素内高屈折率部151が設けられている。上段部の画素内高屈折率部151は、上段の空隙104を有する。図18に示した集光素子では、本発明の実施例1に係る集光素子で示した方法を上段の画素内高屈折率部151に適用している。   FIG. 18 shows a second application example for several adjacent light collecting elements. An intra-pixel high refractive index portion 151 is provided in the upper stage of the lower intra-pixel high refractive index portion 102. The upper pixel high refractive index portion 151 in the upper stage has an upper gap 104. In the condensing element shown in FIG. 18, the method shown in the condensing element according to Example 1 of the present invention is applied to the upper in-pixel high refractive index portion 151.

本発明における集光素子は、固体撮像装置に対し用いることができ有用である。また、微細な同心円形状をもった集光素子に有用である。   The condensing element in the present invention can be used for a solid-state imaging device and is useful. Moreover, it is useful for a condensing element having a fine concentric shape.

101 画素端空隙部
102、1701 画素内高屈折率部
103 画素内空隙部
104 空隙
203 間隙
305 遮光膜
306 受光部
307 画素
1501 光透過膜
1502 基板
1503 色フィルタ
1504 光検知素子
1505 入射光
1506 配線
1507 媒質
1508 極小部
2001 固体撮像装置
2002 集光素子
2003 第1マスク
2004 レジスト
2005 第2マスク
101 Pixel end gap 102, 1701 In-pixel high refractive index portion 103 In-pixel gap portion 104 Gap 203 Gap 305 Light-shielding film 306 Light-receiving portion 307 Pixel 1501 Light transmission film 1502 Substrate 1503 Color filter 1504 Photodetecting element 1505 Incident light 1506 Wiring 1507 Medium 1508 Minimal part 2001 Solid-state imaging device 2002 Condensing element 2003 First mask 2004 Resist 2005 Second mask

Claims (14)

第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記第1の輪帯領域と前記第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置された集光素子であって、
前記1つ以上の第1の輪帯領域および前記1つ以上の第2の輪帯領域のうちの少なくとも1つは、輪帯領域の幅が徐々に狭くなる部分に間隙を有する
集光素子。
One or more first annular zones having a first refractive index and one or more second annular zones having a second refractive index different from the first refractive index; 1 is a light collecting element in which the annular zone region and the second annular zone region are arranged concentrically and alternately adjacent to each other,
At least one of the one or more first annular zones and the one or more second annular zones is a condensing element having a gap in a portion where the width of the annular zone is gradually narrowed.
前記1つ以上の第1の輪帯領域および前記1つ以上の第2の輪帯領域の少なくとも一方は2段構成であって、
前記間隙は、前記2段構成のうちの下段部又は上段部に設けられている
請求項1に記載の集光素子。
At least one of the one or more first annular zones and the one or more second annular zones has a two-stage configuration,
The condensing element according to claim 1, wherein the gap is provided in a lower stage or an upper stage of the two-stage configuration.
前記間隙の対向する端面はほぼ平行である請求項1記載の集光素子。   The condensing element according to claim 1, wherein the opposing end faces of the gap are substantially parallel. 前記1つ以上の第1の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、
前記1つ以上の第2の輪帯領域は空気により構成され、
前記1つ以上の第1の輪帯領域のうちの少なくとも1つは、前記間隙を有し、
前記間隙は、空隙であり隣接する第2の輪帯領域につながっている
請求項1に記載の集光素子。
The one or more first annular zones are formed of a high refractive index material larger than air;
The one or more second annular zones are constituted by air;
At least one of the one or more first annular zones has the gap,
The light collecting element according to claim 1, wherein the gap is a gap and is connected to an adjacent second annular zone region.
前記1つ以上の第1の輪帯領域は空気よりも大きい高屈折率材料により形成され、
前記1つ以上の第2の輪帯領域は空気により構成され、
前記1つ以上の第2の輪帯領域のうちの少なくとも1つは、前記間隙を有し、
前記間隙は、前記高屈折率材料で満たされ隣接する第1の輪帯領域につながっている
請求項1に記載の集光素子。
The one or more first annular zones are formed of a high refractive index material larger than air;
The one or more second annular zones are constituted by air;
At least one of the one or more second annular zones has the gap,
The condensing element according to claim 1, wherein the gap is filled with the high refractive index material and is connected to an adjacent first annular zone region.
前記間隙の面積は、前記集光素子の面積の3%以下である
請求項1〜5の何れか1項に記載の集光素子。
The condensing element according to claim 1, wherein an area of the gap is 3% or less of an area of the condensing element.
請求項4に記載の集光素子である第1の集光素子と、
第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記1つ以上の第1の輪帯領域と前記1つ以上の第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第2の集光素子とを有し、
前記第1の集光素子と第2の集光素子とは境界を挟んで隣に配置される
集光素子群。
A first light collecting element which is the light collecting element according to claim 4;
One or more first annular zones having a first refractive index, and one or more second annular zones having a second refractive index different from the first refractive index, Two or more first annular zones and the one or more second annular zones are arranged concentrically and alternately adjacent to each other, and have a second light collecting element without the gap,
The said 1st condensing element and the 2nd condensing element are the condensing element groups arrange | positioned adjacent on both sides of the boundary.
請求項4に記載の集光素子である第1の集光素子と、
請求項4に記載の集光素子である第2の集光素子とを有し、
前記第1の集光素子の間隙の長さは、前記第2の集光素子の間隙の長さと異なる
集光素子群。
A first light collecting element which is the light collecting element according to claim 4;
A second light collecting element which is the light collecting element according to claim 4,
The length of the gap between the first light collecting elements is different from the length of the gap between the second light collecting elements.
請求項4に記載の集光素子を複数個備え、
1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化する
集光素子群。
A plurality of light collecting elements according to claim 4,
A condensing element group in which the length of the gap in a predetermined number of the condensing elements arranged in a row changes monotonously.
請求項5に記載の集光素子である第1の集光素子と、
第1の屈折率を有する1つ以上の第1の輪帯領域と、第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する1つ以上の第2の輪帯領域とを有し、前記1つ以上の第1の輪帯領域と前記1つ以上の第2の輪帯領域とが同心状に交互に隣接して配置され、前記間隙を有しない第2の集光素子とを有し、
前記第1の集光素子と第2の集光素子とは隣接して配置される
集光素子群。
A first light collecting element which is the light collecting element according to claim 5;
One or more first annular zones having a first refractive index, and one or more second annular zones having a second refractive index different from the first refractive index, Two or more first annular zones and the one or more second annular zones are arranged concentrically and alternately adjacent to each other, and have a second light collecting element without the gap,
The said 1st condensing element and the 2nd condensing element are condensing element groups arrange | positioned adjacently.
請求項5に記載の集光素子である第1の集光素子と、
請求項5に記載の集光素子である第2の集光素子とを有し、
前記第1の集光素子の間隙の長さは、前記第2の集光素子の間隙の長さと異なる
集光素子群。
A first light collecting element which is the light collecting element according to claim 5;
A second condensing element that is the condensing element according to claim 5,
The length of the gap between the first light collecting elements is a light collecting element group different from the length of the gap between the second light collecting elements.
請求項5に記載の集光素子を複数個備え、
1列に並ぶ所定個数の前記集光素子における間隙の長さは単調に変化する
集光素子群。
A plurality of light collecting elements according to claim 5 are provided,
A condensing element group in which the length of the gap in a predetermined number of the condensing elements arranged in a row changes monotonously.
複数の受光素子を含む撮像領域と、前記複数の受光素子に対応する複数の集光素子とを備える固体撮像装置であって、
前記複数の集光素子は、請求項1に記載の集光素子を含む
固体撮像装置。
A solid-state imaging device including an imaging region including a plurality of light receiving elements, and a plurality of condensing elements corresponding to the plurality of light receiving elements,
The solid-state imaging device including the condensing element according to claim 1, wherein the plurality of condensing elements.
前記集光素子の中心位置は、前記受光素子の中心位置からずれ量を有し、
前記ずれ量は前記集光素子の撮像領域中の位置に依存し、
前記間隙の長さは、前記集光素子の撮像領域中の位置に依存する
請求項13に記載の固体撮像装置。
The center position of the light collecting element has a deviation amount from the center position of the light receiving element,
The amount of deviation depends on the position of the light collecting element in the imaging region,
The solid-state imaging device according to claim 13, wherein a length of the gap depends on a position of the light collecting element in an imaging region.
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